北航研發超分辨光子力顯微鏡 實現亞飛牛靈敏度力學傳感新突破
【化工儀器網 項目成果】近日，北京航空航天大學物理學院的王帆教授團隊與生物與醫學工程學院的常凌乾等人聯合研究，取得了納米力學測量領域的重大突破。他們通過將離子共振納米探針、光學三維超分辨定位法與機器學習技術相結合，成功開發了超分辨光子力顯微鏡，并首次實現了水溶液中納米熱力學極限的亞飛牛靈敏度力學傳感。
該團隊的研究成果以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”為題，發表在最新一期的《Nature Photonics》上。
自1970年科學家Ashkin首次實現光鑷對微球的捕獲以來，光鑷技術因其無接觸、低損傷的特點，在生命科學、物理學等領域得到了廣泛應用。然而，傳統的光鑷技術在力學探測精度和測量維度等方面仍面臨諸多挑戰。王帆教授團隊在前期研究中首次提出了稀土離子的共振光力增強原理，并基于這一原理，結合Ln-NPs納米探針、熒光光鑷和超分辨成像技術，成功開發出了超分辨光子力顯微鏡，實現了亞飛牛級別的測力精度。這一成果解決了水溶液中的弱力測量靈敏度難題，大幅提高了水溶液弱力測量的分辨率。
在該項研究中，研究團隊進行了深入的理論分析，發現低勢阱剛度、高定位精度與多定位數據可以顯著提升測力精度。他們利用超分辨率成像中的柱透鏡定位方法，結合神經網絡訓練，實現了軸向信息的精確獲取，從而完成了三維測力的全面優化。
通過這一高精度定位方法，研究人員成功研究了電場中上轉換納米粒子的弱電場力檢測。實驗結果顯示，在0.1V和0.2V平行板靜電場作用下，具有35mV表面電位的納米粒子所受平均電場力分別為591 aN與1182 aN，最小檢測到的電場力更是達到了108.2 aN。這一成果標志著水溶液中光子力顯微鏡首次突破了飛牛級別的測力精度，為納米力學探測領域樹立了新的里程碑。
此外，研究人員還利用該技術研究了單納米顆粒對金膜的相互作用力，并發現納米粒子在靠近金膜時會受到反方向的阻力。這一發現為探究生理環境中生物分子的長程相互作用提供了新的視角和工具。王帆教授團隊計劃進一步利用該技術進行DNA鏈相互作用以及CRISPR與DNA分子相互作用的力學研究，為生命科學研究領域開辟新的道路。
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